Profesor fizike na inštitutu Niels Bohr v Københavnu, eden od pionirjev kvantne teleportacije, Eugene Polzik, je za RIA Novosti pojasnil, kje je meja med "resničnim" in "kvantnim" svetom, zakaj človeka ni mogoče teleportirati in kako mu je uspelo ustvariti zadevo z "negativno maso".
Pred petimi leti je njegova ekipa prvič izvedla poskus, s katerim je teleportirala ne en sam atom ali delček svetlobe, temveč makroskopski objekt.
Pred kratkim je predsedoval mednarodnemu svetovalnemu odboru Ruskega kvantnega centra (RQC), ki je nadomestil Mihaela Lukina, ustvarjalca enega največjih kvantnih računalnikov na svetu in vodilnega sveta v kvantnem računalništvu. Po besedah profesorja Polzika se bo osredotočil na razvijanje in uresničevanje intelektualnega potenciala mladih ruskih znanstvenikov in krepitev mednarodne udeležbe pri delu RKS.
"Eugene, ali bo človeštvo kdaj lahko teleportiralo več kot posameznih delcev ali zbirko atomov ali drugih makroskopskih predmetov?
- Nimate pojma, kako pogosto mi postavljajo to vprašanje - hvala, ker me niste vprašali, ali je možno teleportirati osebo. V splošnem je situacija takšna.
Vesolje je velikanski objekt, zapet na kvantni ravni. Težava je v tem, da nismo sposobni "videti" vseh stopenj svobode tega predmeta. Če v takem sistemu vzamemo velik objekt in ga poskušamo upoštevati, potem bodo interakcije tega predmeta z drugimi deli sveta povzročile tako imenovano "mešano stanje", v katerem ni zapletanja.
Tako imenovani princip monogamije deluje v kvantnem svetu. Izraža se v dejstvu, da če imamo dva idealno zapletena predmeta, potem oba ne moreta imeti tako močnih "nevidnih povezav" z nobenimi drugimi predmeti okoliškega sveta kot med seboj.
Eugene Polzik, profesor na inštitutu Niels Bohr v Københavnu in vodja mednarodnega svetovalnega odbora RCC. Foto: RCC.
Promocijski video:
Če se vrnemo na vprašanje kvantne teleportacije, to pomeni, da nas načeloma nič ne prepreči, da bi zmedli in teleportirali predmet velikosti vsaj celotnega Vesolja, v praksi pa nam bo preprečil, da bi videli vse te povezave hkrati. Zato moramo makro predmete izolirati od tujine, ko izvajamo tovrstne poskuse, in jim omogočiti, da medsebojno vplivajo samo s "potrebnimi" predmeti.
Na primer, v naših poskusih je bilo to mogoče doseči za oblak, ki vsebuje trilijone atomov, zaradi dejstva, da so bili v vakuumu in zadržani v posebni pasti, ki jih je izolirala od zunanjega sveta. Mimogrede, te kamere so bile razvite v Rusiji - v laboratoriju Mihaila Balabasa na St.
Kasneje smo prešli na poskuse na večjih predmetih, ki jih je mogoče videti s prostim očesom. Zdaj izvajamo poskus teleportacije vibracij, ki nastajajo v tankih membranah iz dielektričnih materialov, ki merijo milimeter za milimetrom.
Zdaj pa me osebno bolj zanimajo druga področja kvantne fizike, na katerih se bodo, kot se mi zdi, v bližnji prihodnosti zgodili resnični preboji. Zagotovo bodo presenetili vse.
Kje točno?
- Vsi dobro vemo, da nam kvantna mehanika ne omogoča vedeti vsega, kar se dogaja na svetu okoli nas. Zaradi Heisenbergovega načela negotovosti ne moremo hkrati meriti vseh lastnosti predmetov z največjo možno natančnostjo. In v tem primeru se teleportacija spremeni v orodje, ki nam omogoča, da to omejitev presežemo, pri čemer ne prenašamo delnih informacij o stanju objekta, temveč o celotnem objektu.
Isti zakoni kvantnega sveta nam preprečujejo natančno merjenje poti gibanja atomov, elektronov in drugih delcev, saj je mogoče ugotoviti natančno hitrost njihovega gibanja ali njihov položaj. V praksi to pomeni, da je kvantna mehanika natančno omejena natančnost vseh vrst senzorjev tlaka, gibanja in pospeška.
Pred kratkim smo ugotovili, da to ni vedno tako: vse je odvisno od tega, kaj mislimo pod "hitrost" in "položaj". Če na primer med takšnimi meritvami uporabljamo ne klasične koordinatne sisteme, temveč njihove kvantne kolege, potem bodo te težave izginile.
Z drugimi besedami, v klasičnem sistemu skušamo določiti položaj določenega delca glede na, grobo rečeno, mizo, stol ali kakšno drugo referenčno točko. V kvantnem koordinatnem sistemu bo ničla še en kvantni objekt, s katerim nas zanima sistem, ki nas zanima.
Izkazalo se je, da kvantna mehanika omogoča merjenje obeh parametrov - tako hitrosti gibanja kot tudi poti - z neskončno visoko natančnostjo za določeno kombinacijo lastnosti referenčne točke. Kakšna je ta kombinacija? Oblak atomov, ki služi kot nič kvantnega koordinatnega sistema, mora imeti učinkovito negativno maso.
V resnici ti atomi seveda nimajo "težav s težo", vendar se obnašajo, kot da imajo negativno maso, zaradi dejstva, da se nahajajo na poseben način drug glede drugega in da so znotraj posebnega magnetnega polja. V našem primeru to vodi v dejstvo, da se pospešek delca zmanjšuje, vendar ne poveča njegove energije, kar je s stališča klasične jedrske fizike nesmiselno.
To nam pomaga, da se znebimo naključnih sprememb položaja delcev ali njihove hitrosti gibanja, ki se pojavijo, ko merimo njihove lastnosti z laserji ali drugimi viri fotonov. Če na pot tega žarka postavimo oblak atomov z "negativno maso", potem bo najprej posegel z njimi, nato bo letel skozi predmet, ki se preučuje, te naključne motnje se med seboj odpravijo in vse parametre bomo lahko merili z neskončno visoko natančnostjo.
Vse to še zdaleč ni teoretično - pred nekaj meseci smo te ideje že preizkusili in rezultat objavili v reviji Nature.
Ali za to obstaja kakšna praktična uporaba?
- Pred letom dni sem že govoril v Moskvi, da je mogoče podobno načelo "odstranjevanja" kvantne negotovosti uporabiti za izboljšanje natančnosti dela LIGO in drugih gravitacijskih opazovalnic.
Takrat je bila le ideja, zdaj pa se je začela oblikovati. Delamo na njenem izvajanju skupaj z enim od pionirjev kvantnih meritev in udeležencem projekta LIGO, profesorjem Faridom Khalilijem iz RCC in Moskovske državne univerze.
Seveda ne govorimo o namestitvi takega sistema na sam detektor - to je zelo zapleten in dolgotrajen postopek, sam LIGO pa ima načrte, v katere preprosto ne moremo vstopiti. Po drugi strani pa jih že zanimajo naše ideje in so nam pripravljeni prisluhniti še naprej.
Vsekakor morate najprej ustvariti delujoč prototip takšne naprave, ki bo pokazal, da lahko resnično stopimo čez mejo v merilni natančnosti, ki jo nalaga Heisenbergovo načelo negotovosti in drugi zakoni kvantnega sveta.
Prve tovrstne poskuse bomo izvedli na desetmetrskem interferometru v Hannovru, manjši kopiji LIGO. Zdaj sestavljamo vse potrebne sestavne dele za ta sistem, vključno s stojalom, svetlobnimi viri in oblakom atomov. Če nam uspe, potem sem prepričan, da nas bodo poslušali naši ameriški kolegi - drugih načinov, kako premagati kvantno mejo, še ni.
Ali bodo zagovorniki determinističnih kvantnih teorij, ki menijo, da v kvantnem svetu možnosti ne obstajajo, takšne poskuse šteli za dokaz pravilnosti svojih idej?
- Iskreno povedano, ne vem, kaj si mislijo o tem. Naslednje leto v Kopenhagnu organiziramo konferenco o mejah med klasično in kvantno fiziko ter podobnimi filozofskimi vprašanji, ki se jih lahko udeležijo, če želijo predstaviti svojo vizijo tega problema.
Sam se držim klasične kopenhagenske interpretacije kvantne mehanike in priznavam, da valovne funkcije niso omejene po velikosti. Zaenkrat ne vidimo znakov, da se njene določbe nekje kršijo ali nasprotujejo praksi.
Laboratorij za kvantno optiko v Ruskem kvantnem centru. Foto: RCC.
V zadnjih letih so fiziki opravili nešteto testov Bellovih neenakosti in paradoksa Einstein-Podolski-Rosen, ki popolnoma izključujejo možnost, da lahko vedenje predmetov na kvantni ravni nadzirajo nekatere skrite spremenljivke ali druge stvari zunaj okvira klasične kvantne teorije.
Pred nekaj meseci je bil na primer še en poskus, ki je zaprl vse možne "luknje" v Bell-ovih enačbah, ki jih uporabljajo zagovorniki teorije skritih spremenljivk. Če parafraziramo Nielsa Bohra in Richarda Feynmana, lahko samo "utihnemo in eksperimentiramo": zdi se mi, da bi si morali zastaviti samo tista vprašanja, na katera lahko odgovorimo s poskusi.
Če se vrnemo k kvantni teleportaciji - glede na težave, ki ste jih opisali: ali bo našel uporabo v kvantnih računalnikih, komunikacijskih satelitih in drugih sistemih?
- Prepričan sem, da bodo kvantne tehnologije vedno bolj prodirale v komunikacijske sisteme in bodo hitro vstopile v naše vsakdanje življenje. Kako natanko še ni jasno - informacije se lahko na primer pošiljajo tako prek teleportacije kot prek običajnih optičnih vlaken z uporabo sistemov kvantne distribucije ključev.
Verjamem, da bo tudi kvantni spomin čez nekaj časa postal resničnost. Najmanj bo potrebno ustvariti repetitorje za kvantne signale in sisteme. Na drugi strani je težko predvideti, kako in kdaj se bo vse to izvajalo.
Prej ali slej kvantna teleportacija ne bo postala eksotika, ampak vsakdanja stvar, ki jo lahko uporabljajo vsi. Tega procesa verjetno ne bomo videli, vendar bodo rezultati njegovega dela, vključno z varnimi omrežji za prenos podatkov in satelitskimi komunikacijskimi sistemi, igrali ogromno vlogo v našem življenju.
Kako daleč bodo kvantne tehnologije prodirale v druge sfere znanosti in življenja, ki se ne nanašajo na IT ali fiziko?
- To je dobro vprašanje, na katerega je še težje odgovoriti. Ko so se pojavili prvi tranzistorji, so mnogi znanstveniki verjeli, da bodo našli uporabo le v slušnih aparatih. To se je zgodilo, čeprav se zdaj na ta način uporablja le zelo majhen delež polprevodniških naprav.
Kljub temu se mi zdi, da bo res prišlo do kvantnega preboja, vendar ne povsod. Na primer, kakršni koli pripomočki in naprave, ki vplivajo na okolje in nekako merijo njegove lastnosti, bodo neizogibno dosegli kvantno mejo, o kateri smo že govorili. In naše tehnologije nam bodo pomagale preseči to mejo ali vsaj zmanjšati motnje.
Poleg tega smo že rešili eno od teh težav z istim pristopom "negativne mase" z izboljšanjem senzorjev kvantnega magnetnega polja. Takšne naprave lahko najdejo zelo specifične biomedicinske aplikacije - z njimi se lahko spremljajo delo srca in možganov, ocenjujejo možnosti za srčni napad in druge težave.
Moji kolegi iz RCC delajo nekaj podobnega. Zdaj skupaj razpravljamo, kaj smo dosegli, poskušamo združiti svoje pristope in dobiti nekaj bolj zanimivega.